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1、原理，实施方法，工业应用12 其它传质分离方法 12.1 结晶12.1.1 概述一、结晶结晶 ：由蒸汽、溶液或熔融物中析出固态晶体的操作。溶液结晶 ：采用降温或浓缩的方法使溶液达到过饱和状态，析出溶质，以大规模制取固体产品。过饱和度的产生 过程的推动力蒸发 (c-c*)-过饱和度冷却 （t*-t） -过冷度反应二、特点 能从杂质含量较多的混和液中分离出高纯度的晶体； 高熔点混合物、相对挥发度小的物系、共沸物、热敏性物质等物质的分离；结晶热一般为汽化热的 1/31/7，过程的能耗较低。三、产品的质量要求纯度 （一般 99%）粒度：大小，分布晶形：针形，片状，棒状12.1.2 溶解度与溶液的过饱和
2、溶解度曲线 ：表示溶质在溶剂中的溶解度随温度而变化的关系。曲线 a 是溶解度曲线曲线 b 是超溶解度曲线超溶解度曲线 ：表示溶液产生晶核的极限浓度。形成过饱和度状态的基本方法：降低溶液温度冷却结晶 eg 线蒸发除去溶剂蒸发结晶 ef 线陡峭的曲线选用冷却结晶有利；平坦的曲线选用蒸发结晶有利。12.1.3 结晶机理与动力学结晶速率 ：包括成核速率和结晶成长速率。影响结晶速率的因素： 过饱和度的影响， 黏度的影响密度的影响，位置的影响搅拌的影响12.1.4 物料衡算和热量衡算一、 物料衡算 321w)mWF(ww2:晶体中溶质质量分数，若晶体为非水合物，w 2=1;若为水合物时，w2=溶质分子量/
3、晶体分子量。如：Na 2CO3 相对分子质量106，Na 2CO310H2O 为286，w 2=106/286=0.371二、热量衡算 Fi1+Q=WI+mi2+(F-W-m)i3Wr = mr 结晶 + Fcp(t1-t3) + Q汽化潜热 溶液结晶放热 溶液降温放热 外界加热12.1.5 结晶设备结晶蒸发器12.2 吸附12.2.1 概述一、原理：利用固体颗粒选择性地吸附流体中的一个或几个组分，从而使流体混合物分离。物理吸附 ：由于固体颗粒表面力（范德华力）作用使吸附质分子单层或多层地覆盖于吸附剂表面。化学吸附 ：由于吸附质与吸附剂表面原子间的化学键合作用，使吸附质分子覆盖于吸附剂表面。二
4、、分类(按解吸方法 )：变温吸附，蒸汽加热解吸变压吸附，降压解吸变浓度吸附，用惰性溶剂冲洗置换吸附，用其它吸附质置换三、常用吸附剂活性炭如：果核炭化, 活性炭纤维, 炭分子筛疏水性、亲有机物，如：脱水中的有机物。分子筛晶格结构一定、有许多孔径大小均一微孔，起筛选分子作用，选择性强。硅胶 无定形水合二氧化硅，亲水性如：气体脱水活性氧化铝极性吸附剂，用于液体脱水等各种活性土(漂白土、铁矾土、酸性白土) 价廉易得，一次性使用如：润滑油脱色、脱硫合成沸石和天然沸石分子筛硅铝酸金属盐, 化学稳定性高，微孔尺寸大小均一，强极性吸附剂。如：废水脱除重金属离子及海水提钾。吸附树脂高分子物质经反应引进官能团。有
5、非极性、中极性、极性和强极性。如：维生素的分离、过氧化氢的精制。四、吸附剂的基本特性吸附剂的比表面 a例：活性炭微孔比表面占 95%吸附容量 xm吸附表面每个空位都单层吸满吸附质分子时的吸附量: kg 吸附质/kg 吸附剂。与温度、吸附剂结构、性质有关。吸附剂密度a.装填密度 与空隙率BBb.颗粒密度 (表观密度 )：p1c.真密度 (扣除颗粒内孔腔体积)和内孔t隙率 ：ppt五、工业吸附对吸附剂的要求 有较大的内表面活性高选择性高BP)1(具有一定的机械强度具有良好的化学稳定性12.2.2 吸附相平衡吸附等温线 ：在一定温度下，气体（液体）与固体吸附剂长时间接触，达平衡时吸附剂的吸附量 x(
6、kg/kg)与气相（液相）中的吸附质组分分压 p（或浓度 c）的关系曲线。低浓度时，x=Hc或 x=Hp当浓度较高时，可用不同的模型来拟合 xp(c)的相平衡关系。单分子层吸附朗格缪尔方程吸附表面遮盖率 (=x/xm)吸附速率 kap(1- )解吸速率 kd L1得 pxm12.2.3 传质及吸附速率一、 传质机理吸附传质分外扩散、内扩散及吸附三步。吸附过程为内扩散控制。二、吸附速率外扩散：N A=kf(c-ci)内扩散：N A=ks(xi-x)用总传质系数表示：NA=Kf(c-ce)=Ks(xe-x)对于内扩散控制的吸附过程，总传质系数 Ksk s12.2.4 固定床吸附过程分析（1）理想吸
7、附过程简化假定：单组分吸附，有利的吸附等温线。床层吸附剂均匀，吸附剂初始浓度、温度均一。流体定态加料，浓度、温度、流量不变。吸附热可忽略，流体与吸附剂等温。（2）吸附相的负荷曲线（3）流体相的浓度波与透过曲线浓度波cz 变化曲线浓度波速度 uc透过曲线c 出 变化曲线透过点: c B0.05c1, 透过时间 B饱和点: c S0.95c1, 饱和时间 S透过曲线 浓度波: 镜面对称实验测定 c 出 ，可确定浓度波， L0，K S 。12.2.5 吸附分离设备（1）实施方法（2）工业应用目的 入口浓度 出口氢气的干燥去湿 0.4% 5mg/kg去 CO2 0.5% 10 mg/kg天然气脱硫 1
8、000 4 mg/kg血脂分离术 肝素诱导体外低密度脂蛋白沉淀术治疗：高血脂引起的脑梗塞，冠心病。低密度脂蛋白（LDL ） ，脂蛋白（ LP(a)） ，纤维蛋白与肝素形成不溶于水的颗粒物进入吸附器除血浆中的颗粒物。12.3 膜分离12.3.1 概述一、 膜分离原理 ：利用固体膜对流体混合物中的各组分的选择性渗透从而分离各个组分的方法。推动力：膜两侧的压差或电位差。膜分离分类：微孔过滤、超滤、反渗透、电渗析、混合气体的分离、渗透汽化。膜分离过程的特点：组分不发生相变化，所以能耗低；在常温下进行，对食品及生物药品的加工特别适合；不仅可除去病毒、细菌等微粒，而且也可除去溶液中大分子和无机盐，还可分离
9、共沸物或沸点相近的组分；由于以压差及电位差为推动力，因此装置简单，操作方便。三、膜材料及对膜的要求* 分为无机膜及有机膜两类有机膜 无机膜* 对膜的基本要求：1、截留率 R %c102c1,c2:物料主体和透过液中被分离物质的浓度。2、透过速率 J kmol/(m2.s)J 将随时间的推移而衰减3、截留物的分子量由于多孔膜的孔径大小不一，因而一般取截留率为 90%的物质的分子量为膜的截留分子量。足够的机械强度和化学稳定性。12.3.2 反渗透一、原理水和盐水用固体膜隔开时，渗透达平衡，盐水液位升高 h，将 = gh 称为渗透压。渗透压 的大小是溶液的物性，且与溶质的浓度有关，见表 12-4。当
10、在盐水一侧施加压力，使盐水与水的压差达 p 时，水将从盐水一侧向纯水侧作反向移动，此称为反渗透。二、工业应用 海水脱盐制饮用水通常饮用水的盐含量为 0.05%（质量分数） ，海水的盐含量在 3.5%，其相应的渗透压为 2.5MPa，反渗透操作压力为5MPa。目 前 ， 全 球 海 水 淡 化 日 产 量 约 3500 万 立 方 米 左 右 ， 其 中 80 用 于 饮 用水 ， 解 决 了 1 亿 多 人 的 供 水 问 题 ， 即 世 界 上 1 50 的 人 口 靠 海 水 淡 化 提 供饮 用 水 。 全 球 有 海 水 淡 化 厂 1 3 万 多 座 ， 海 水 淡 化 作 为 淡
11、水 资 源 的 替 代 与增 量 技 术 ， 愈 来 愈 受 到 世 界 上 许 多 沿 海 国 家 的 重 视 ； 全 球 直 接 利 用 海 水 作 为工 业 冷 却 水 总 量 每 年 约 6000 亿 立 方 米 左 右 替 代 了 大 量 宝 贵 的 淡 水 资 源 ； 全世 界 每 年 从 海 洋 中 提 盐 5000 万 吨 、 镁 及 氧 化 镁 260 多 万 吨 、 溴 20 万 吨 等 。海 水 淡 化 需 要 大 量 能 量 ， 所 以 在 不 富 裕 的 国 家 经 济 效 益 并 不 高 。 沙 特 阿 拉 伯的 海 水 淡 化 厂 占 全 球 海 水 淡 化 能
12、力 的 24%。 阿 拉 伯 联 合 酋 长 国 的 杰 贝 勒 阿里 海 水 淡 化 厂 第 二 期 是 全 球 最 大 的 海 水 淡 化 厂 ， 每 年 可 产 生 3 亿 立 方 米 淡水 。 国际海水淡化的售水价格已从 20 世纪 60 年代、70 年代 的 2 美元以上降到目前不足 0.7 美元的水平，接近或低于国际上一些城市的自来水价格。反渗透消耗的能量（3kWh/m 3）只是精馏方法的 1/40，电渗析法的 1/2。工业废水处理12.3.3 超滤一、 原理 ：以压差为推动力、用固体多孔膜截留混和物中的微粒和大分子溶质而使溶剂透过膜孔的分离操作。二、工业应用在食品工业中用于果汁、
13、牛奶的浓缩和其它乳制品加工；刚刚从苹果中榨取的果汁，由于含有丹宁、果胶和苯酚等化合物而呈现出混浊状。传统方法采用酶、皂土和明胶使其沉淀，然后取上层清液过滤而获得澄清的果汁。通过超滤或微滤来澄清果汁，只需先部分脱除果胶，可减少酶的用量，省去皂土和明胶。同时果汁的回收率也有所提高，达 98%99%。另外经超滤处理的果汁质量也有所提高，浊度仅 0.40.6NTU（传统工艺为1.53NTU） 。又因超滤可除去菌体，因而使其获得了更长的保质期。高纯水的制备电子工业：相邻元件之间只有 0.002mm 左右的距离，要求的纯水无离子，无可溶性有机物，无菌体和大于 0.5m 的离子。12.3.4 电渗析原理 ：
14、以电位差为推动力、利用离子交换膜的选择透过特性使溶液中的离子作定向移动以达到脱除或富集电解质的操作。离子交换膜被誉为电渗析的“心脏” ，是一种膜状的离子交换树脂。12.3.5 气体混合物的分离一、原理在压差的作用下，不同种类气体的分子在通过膜时有不同的传递速率，从而使气体混合物中的各组分得以分离或富集。二、工业应用从合成氨尾气中回收氢； 从油田气中回收 CO2。 天然气的净化天然气的主要成分是 CH4 和 CO2,少量水汽，H 2S。对天然气的处理主要除去CO2,水汽，H 2S，目的是防止在输送过程中管道的腐蚀和冻结堵塞。通常用胺吸收法，其缺点：投资费用高；再生问题；环境污染。膜法优点：利用井下天然气 13.8MPa 的高压进行膜分离；无环境污染的防火问题；投资费用低。12.3.6 膜分离设备（1）平板式膜分离器优点:不易堵塞，压降较小，60500m 2/m3，容易换膜。缺点：安装、密封要求高。 （2）管式膜分离器优点：结构简单，安装、操作方便，缺点：膜面积少, 33330 m 2/m3毛细管膜分离器人工肾管式膜分离器陶瓷膜不锈钢膜（3）螺旋卷式膜分离器优点：结构紧凑，6501600 m 2/m3缺点：成本高，膜清洗困难（4）中空纤维式膜分离器中空纤维外径约 40250m，优点：结构紧凑，1.63 万 m2/m3。缺点：透过液流动阻力大，清洗、更换组件困难。
